基于Fluent的蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化

王立慧，許玉謀，馮 靜

(1.中船重工海博威(江蘇)科技有限公司，揚(yáng)州 225000;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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基于Fluent的蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化

王立慧1，許玉謀1，馮 靜2

(1.中船重工海博威(江蘇)科技有限公司，揚(yáng)州 225000;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

設(shè)計(jì)了一種用于加熱黏稠類物料的蒸汽噴射裝置，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent數(shù)值模擬方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)蒸汽噴射裝置的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究。結(jié)果表明，螺旋導(dǎo)柱截面寬度占據(jù)混合區(qū)域?qū)挾燃s40%左右時(shí)，對(duì)蒸汽流的分散作用最佳，速度情況和出口溫度分布情況較為理想；螺旋導(dǎo)柱截面形狀為正方形時(shí)其壓力和溫度有最優(yōu)解，為菱形時(shí)其湍動(dòng)能分布有最優(yōu)解。研究結(jié)果為改進(jìn)蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)和提升噴射器的工作效率提供了必要的理論依據(jù)。

蒸汽噴射器；螺旋導(dǎo)柱；數(shù)值模擬

0 引 言

在各個(gè)行業(yè)中，往往需要對(duì)不同黏度的物料進(jìn)行加熱以達(dá)到排放和使用要求。對(duì)于諸如潤(rùn)滑油、工業(yè)液體廢料等具有相當(dāng)黏度的液體來說，由于具有一定黏度，其流動(dòng)性往往較差，加熱不易使物料溫度得到均勻提升。

對(duì)于濃漿類物料的加熱來說，常規(guī)換熱器裝置很難達(dá)到均勻的加熱效果，物料的流動(dòng)性較差，在設(shè)備內(nèi)部容易出現(xiàn)物料堆積的情況，這就導(dǎo)致物料局部達(dá)到所需溫度時(shí)其余部分物料已經(jīng)被過度加熱，使得物料成分發(fā)生大幅度變化[1]。本文圍繞美國(guó)Pick公司的蒸汽噴射器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并在原有螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)、螺旋導(dǎo)柱位置和蒸汽噴射孔研究的基礎(chǔ)上，對(duì)蒸汽噴射器內(nèi)螺旋導(dǎo)柱尺寸及蒸汽噴射器螺旋截面形狀進(jìn)行研究，探究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性。

1 蒸汽噴射器特點(diǎn)與應(yīng)用

該型蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：經(jīng)過處理的蒸汽從噴射器頂部進(jìn)入，與右側(cè)進(jìn)入的經(jīng)過預(yù)熱后的高黏度物料在噴射器內(nèi)部高度混合，伴隨蒸汽噴射器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，物料和蒸汽在噴射器內(nèi)部進(jìn)行高度接觸融合。由于蒸汽比同溫度的水?dāng)y帶更多的熱能，高溫高壓的蒸汽遇到較低溫度的物料會(huì)在其表面冷凝，釋放潛熱，進(jìn)而有效快速地提高物料表面溫度。在噴射器內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)能夠進(jìn)行獨(dú)立伸縮的彈簧，彈簧可根據(jù)對(duì)出口溫度的檢測(cè)來調(diào)整伸縮長(zhǎng)度，進(jìn)而增減蒸汽噴射孔與物料的接觸范圍。

圖1 蒸汽噴射器裝置結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

由于蒸汽在與物料進(jìn)行熱交換過程中會(huì)釋放大量熱量，在瞬間轉(zhuǎn)化為冷凝水，其體積與蒸汽相比會(huì)減小約1 000倍，蒸汽在冷凝過程中就會(huì)形成短暫的真空狀態(tài)，導(dǎo)致物料會(huì)透過注汽管柱上的小孔倒吸到這個(gè)真空的空間，這就在噴射器的內(nèi)部形成“水錘”現(xiàn)象。此時(shí)，獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的彈簧就可上升以打破這一真空狀態(tài)，從而消除“水錘”現(xiàn)象，降低設(shè)備噪聲，并提高設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性。在蒸汽噴射器內(nèi)部與注汽管柱之間，有專門設(shè)計(jì)的三螺旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)物料和蒸汽的交互可以起到有效的“混合”作用，同時(shí)可以防止高黏稠物料的結(jié)塊和粘壁現(xiàn)象，從而防止設(shè)備堵塞，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行能夠順利實(shí)現(xiàn)。蒸汽噴射器三維圖如圖2所示。

圖2 蒸汽噴射器三維圖

蒸汽噴射器應(yīng)用于黏稠物料的加熱是一種具有高度創(chuàng)新的加熱方法，可以解決傳統(tǒng)加熱裝置不能解決的高黏稠物料的加熱問題[2]。在食品行業(yè)，蒸汽噴射設(shè)備能夠有效地應(yīng)用于諸如大豆?jié)鉂{、五谷濃漿、濃縮果汁、巧克力醬等食品類濃漿物料的蒸煮殺菌。在機(jī)械行業(yè)，蒸汽噴射設(shè)備對(duì)于工業(yè)類潤(rùn)滑油、黏稠潤(rùn)滑脂可以起到有效的加熱效果。在化工行業(yè)，蒸汽噴射設(shè)備可對(duì)黏稠廢液進(jìn)行加熱處理以便滿足后續(xù)利用，可見該設(shè)備的應(yīng)用具有較好的市場(chǎng)前景。蒸汽噴射器各零件實(shí)物圖如圖3所示，可見噴射器整體易于組裝，檢修方便，部件更換較易，使得其能夠被廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域。作者著重從流場(chǎng)角度研究噴射器內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)其內(nèi)部性能的影響。

圖3 蒸汽噴射器各零件實(shí)物圖

2 蒸汽噴射器模型的建立

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是通過計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備模型設(shè)置的初始參數(shù)進(jìn)行模擬和圖像顯示的方法，該方法可以用于包含流體傳熱和流動(dòng)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)分析和研究。

2.1 幾何模型

本文以裝配三螺旋結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射器為研究對(duì)象，通過改變其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，對(duì)混合腔內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等分布進(jìn)行對(duì)比分析。

為便于研究，將噴射器內(nèi)噴射孔等效為直徑4 mm、高2 mm的原型凸臺(tái)，10行排列，行距為15 mm，周向均布8列，螺旋導(dǎo)柱截面為正方形，寬度暫定為5 mm，將物料實(shí)際流過的區(qū)域等效為實(shí)體。圖4給出了一種螺旋導(dǎo)柱居于混合區(qū)域中間的簡(jiǎn)化幾何模型。

圖4 蒸汽噴射器簡(jiǎn)化幾何模型圖

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算機(jī)性能的影響，對(duì)簡(jiǎn)化后的噴射器結(jié)構(gòu)選用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方式，對(duì)規(guī)則的流域采用較大的網(wǎng)格步長(zhǎng)，對(duì)流域較復(fù)雜的采用較小的網(wǎng)格步長(zhǎng)。本文采用GAMBIT對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為避免網(wǎng)格劃分不合理與實(shí)際有較大誤差，將噴射孔和流道的步長(zhǎng)分別設(shè)定為1.0 mm和3.0 mm，此網(wǎng)格劃分同步增大或者減小對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的誤差比例在1%～2%之間，因此所選網(wǎng)格步長(zhǎng)符合要求。

2.3 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型的建立基于以下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

工作流體設(shè)定為理想的牛頓流體，在流動(dòng)過程中，物料自身不發(fā)生相變，在流動(dòng)過程中處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，整個(gè)過程中忽略流動(dòng)時(shí)由于黏性耗散所產(chǎn)生的熱效應(yīng)耗損以及密度差異引起的浮升力和重力的影響。

由于本文中涉及的是高溫蒸汽和低溫物料的熱交換，蒸汽會(huì)釋放潛熱，由于蒸汽和物料處于動(dòng)態(tài)流動(dòng)過程，因此認(rèn)為二者的互動(dòng)較為頻繁，蒸汽所釋放的潛熱對(duì)進(jìn)入的物料來說是均勻的，其對(duì)出口溫度均勻性的影響可以忽略，且本文對(duì)出口溫度的具體數(shù)值不做具體討論。

本文研究涉及到流動(dòng)問題和溫度分布問題，所以系統(tǒng)的控制方程主要是連續(xù)方程和能量方程、動(dòng)量方程以及相關(guān)的湍流附加控制方程[3-4]。為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，本研究對(duì)動(dòng)量方程做時(shí)均化處理，且采用有限體積法對(duì)蒸汽噴射器進(jìn)行兩相流模擬，應(yīng)用歐拉兩相流，其控制方程如式(1)～(5)所示。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中：ρ為流體密度，單位為kg/m3；t為時(shí)間，單位為s；Cs為比定壓熱容，單位為J/(kg·K)；Cp為比熱容，單位為kJ/(kg·℃)；T為溫度，單位為℃；K為流體的傳熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；x、y、z代表坐標(biāo)方向；μ、v和w分別為x，y和z方向的速度分量，單位為m/s；ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用于流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，即為黏性耗散項(xiàng)。

湍流模型的標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程為：

(4)

(5)

2.4 邊界條件

蒸汽噴射器右側(cè)設(shè)定為物料入口，假設(shè)入口流量速度均勻且忽略重力場(chǎng)的影響，為了便于研究，將入口流體介質(zhì)設(shè)為水，溫度為293K，入口流速設(shè)定為1.5m/s。 蒸汽噴射孔設(shè)置為蒸汽入口，假設(shè)入口流速均勻，流體介質(zhì)采用飽和蒸汽，忽略重力場(chǎng)影響，速度設(shè)為50m/s，溫度為423K。蒸汽噴射器所有壁面設(shè)定為無滑移速度邊界條件，管壁為初始溫度293K。在歐拉兩相流的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置中，蒸汽流入口的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1，液相設(shè)為0，物料流入口的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1，氣相體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0。文中涉及的流體不可壓，因此采用基于壓力求解器、3D空間、單精度、定常流動(dòng)、絕對(duì)速度，計(jì)算過程打開能量方程，選擇標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，其他保持默認(rèn)設(shè)置?？刂七^程采用一階迎風(fēng)格式，質(zhì)量能量方程計(jì)算殘差標(biāo)準(zhǔn)均控制在10-6數(shù)量級(jí)，其余設(shè)為10-4數(shù)量級(jí)，計(jì)算過程直到殘差變化收斂為止[6-7]。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過Fluent仿真模擬結(jié)果，對(duì)不同蒸汽噴射器內(nèi)部的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等進(jìn)行分析對(duì)比，明確不同結(jié)構(gòu)對(duì)噴射器內(nèi)部混合區(qū)域的影響，探究其結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式。

3.1 螺旋導(dǎo)柱尺寸對(duì)噴射器內(nèi)部流場(chǎng)的影響

已有文獻(xiàn)表明，螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)對(duì)噴射器內(nèi)部的速度、壓力和溫度場(chǎng)都有一定的影響，且螺旋導(dǎo)柱居于中間位置時(shí)混合區(qū)域分布情況最佳。本節(jié)針對(duì)螺旋導(dǎo)柱均處在中間位置但各個(gè)截面尺寸均不同的蒸汽噴射器進(jìn)行模擬，探究螺旋導(dǎo)柱截面尺寸不同時(shí)噴射器內(nèi)部流場(chǎng)的最優(yōu)解[8]。

圖5給出了3種螺旋導(dǎo)柱截面依次減小的三維Pro/E建模圖，截面均為徑向垂直的正方形(由于螺旋視角導(dǎo)致圖中所示為扇形)，具體尺寸依次為11mm、7mm、3mm，通過不同的截面尺寸來探究截面大小對(duì)內(nèi)部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響[9]。

圖5 螺旋導(dǎo)柱寬度不同時(shí)出口截面建模圖

圖6和圖7給出了螺旋導(dǎo)柱尺寸分別為11mm、7mm、3mm的正方形時(shí)噴射器內(nèi)部對(duì)稱截面溫度分布云圖和速度矢量圖。從圖6(a)中出口溫度分布情況可以很明顯地看出，當(dāng)螺旋導(dǎo)柱截面過大時(shí)，對(duì)溫度影響較為明顯；在相鄰節(jié)距中間，物料溫度有較明顯的變化；在出口溫度云圖中，較大的螺旋導(dǎo)柱節(jié)距后方有明顯的低溫物料區(qū)，同時(shí)在噴射器上方有較明顯的“死區(qū)”存在。形成這種現(xiàn)象的原因是，較寬的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)物料運(yùn)動(dòng)造成了一定的阻礙作用，使得蒸汽不能夠很好地圍繞螺旋結(jié)構(gòu)分散運(yùn)動(dòng)形成很好的環(huán)流；蒸汽與物料的混合主要集中在相鄰節(jié)距中間，由于上方蒸汽溫度較高，下方較低，所以在相鄰節(jié)距中間，帶來了溫度逐漸降低的情況；同時(shí)蒸汽不能有效地進(jìn)入噴射器的頂部，所以在上方有低溫區(qū)的存在。從圖7(a)的速度矢量圖可以看出，由于較大的螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)阻礙了物料的有效流動(dòng)，在相鄰節(jié)距中間形成了較為明顯的速度環(huán)流，這種情況不利于物料的有效排出。

圖6 螺旋導(dǎo)柱截面寬度不同時(shí)溫度分布云圖

圖7 螺旋導(dǎo)柱截面寬度不同時(shí)速度矢量圖

當(dāng)螺旋導(dǎo)柱截面尺寸有所減小時(shí)，溫度分布情況和速度分布情況均有明顯改善，從圖6(b)中可知，當(dāng)截面為7mm時(shí)，溫度分布自上而下逐漸均勻，出口處溫度分布現(xiàn)象比圖6(a)有所改善。從圖7(b)中速度矢量圖的局部放大可看出，蒸汽流在遇到螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)分散開來，與未分散的蒸汽流在螺旋導(dǎo)柱節(jié)距之間形成有效的回流。由于螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)與混合區(qū)邊緣的寬度能夠使得物料有效通過，因此分散的蒸汽流圍繞螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)也能形成有效的回流。種種回流的疊加混合，使得蒸汽與物料的接觸更加充分，螺旋導(dǎo)柱兩側(cè)所剩余的空間足以使得物料順利通過，因此最終出口溫度的分布圖較為理想。

當(dāng)截面尺寸再度減小為3mm時(shí)，從圖6(c)可以看出出口溫度的分布比截面為11mm時(shí)有所改善，但是不如截面為7mm時(shí)理想。因?yàn)榻孛鏋?mm時(shí)，出口溫度的邊緣區(qū)域與中心區(qū)域形成了明顯的兩級(jí)分布。從圖7(c)可看出，造成這種現(xiàn)象的原因是較小的螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)不能有效地分散蒸汽流，大部分的蒸汽流直接沖擊到混合區(qū)的邊緣，與物料混合后形成了反彈并集中在中心區(qū)域流下，所以出口邊緣區(qū)域的溫度與中間區(qū)域形成了一定的兩級(jí)分布。

通過以上的分析對(duì)比可知，螺旋導(dǎo)柱寬度居于混合區(qū)域中部時(shí)對(duì)流場(chǎng)影響最佳。但通過適當(dāng)增加和減小螺旋導(dǎo)柱截面尺寸，發(fā)現(xiàn)螺旋導(dǎo)柱的寬度并不是越大越好，也不是越小越好。本節(jié)中螺旋導(dǎo)柱寬度為7mm，混合區(qū)域?qū)挾葹?7mm，溫度和速度分布情況較為理想。當(dāng)螺旋截面尺寸寬度占據(jù)混合區(qū)域?qū)挾?0%左右時(shí)，能夠?qū)φ羝髌鸬阶詈玫姆稚⒆饔茫俣惹闆r和出口處的溫度分布情況較為理想。

3.2 蒸汽噴射器螺旋導(dǎo)柱截面的優(yōu)化分析

由之前的分析可知，螺旋導(dǎo)柱的節(jié)距和寬度對(duì)噴射器混合區(qū)域的流場(chǎng)分布都有一定影響，由于前面的模擬分析所使用的噴射器的截面形狀均為正方形，所以接下來通過改變螺旋導(dǎo)柱的截面形狀來進(jìn)行類似的模擬，通過分析，尋求截面的變形對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

為便于研究，另外設(shè)計(jì)了3種截面形狀，分別為倒三角形、正三角形和菱形，為與之前的正方形截面形狀進(jìn)行對(duì)比，將其作為參考。圖8給出了4種截面形狀的三維建模圖。為保證其他因素對(duì)截面形狀變化帶來的影響，保持不同形狀的截面具有相同的截面積，且使用相同的節(jié)距，圖中加亮的部分為不同截面形狀的螺旋導(dǎo)柱在混合區(qū)域的顯示，保持其余參數(shù)和結(jié)構(gòu)相同并通過Pro/E建模，在Gambit中劃分網(wǎng)格，在Fluent中模擬分析，得到4種情況下噴射器混合區(qū)域內(nèi)部的各變量分布圖。

圖8 4種不同螺旋導(dǎo)柱截面三維建模圖

圖9 不同截面時(shí)噴射器在對(duì)稱截面的湍動(dòng)能云圖

為了準(zhǔn)確描述噴射器內(nèi)部物料和蒸汽流動(dòng)的相關(guān)情況，圖9給出了4種結(jié)構(gòu)噴射器對(duì)稱截面的湍動(dòng)能云圖。從圖中可看出，倒三角形截面出口處的湍動(dòng)能不如其他3種情況的大，在出口邊緣位置的湍動(dòng)能數(shù)值十分??；而正三角形截面的情況則有明顯的改善，其內(nèi)部蒸汽流的湍動(dòng)能基本都能夠很好地彌散到物料中去，湍動(dòng)能低的區(qū)域面積十分少，同時(shí)出口截面處的湍動(dòng)能分布是十分均勻的。造成這種現(xiàn)象的原因是倒三角形截面向下的面對(duì)蒸汽流造成了阻礙作用，蒸汽流中的湍動(dòng)能被向下“內(nèi)壓制”，靠近邊緣區(qū)域的位置不能有足夠的蒸汽流進(jìn)入，因此呈現(xiàn)了出口所示的低湍動(dòng)能區(qū)域。而正三角形情況改變的原因在于，蒸汽流遇到靠近噴射孔的截面時(shí)，被向上引導(dǎo)，因此靠近邊緣的區(qū)域也能夠到達(dá)，這就不會(huì)有倒三角那樣的不均勻情況。菱形截面的情況是4種情況中最好的，其內(nèi)部對(duì)稱截面的湍動(dòng)能分布較均勻，與正三角形的情況接近，但是其出口截面的湍動(dòng)能數(shù)值則大于正三角形的情形。這是因?yàn)榱庑蔚囊粋€(gè)頂點(diǎn)正對(duì)噴射孔，蒸汽流剛好可以在菱形頂點(diǎn)處被分散開來，其在上下區(qū)域內(nèi)均可以形成有效的流動(dòng)，所以其沒有明顯的層級(jí)分布。由于混合得較充分，因此出口的湍動(dòng)能數(shù)值也是最大的。正方形截面的情況則介于倒三角形和正三角形截面之間，由于沒有像倒三角形那樣對(duì)蒸汽形成明顯的“內(nèi)壓制”，因此其出口湍動(dòng)能只有極小部分存在于低湍動(dòng)能區(qū)域，蒸汽被正方形截面阻礙之后，也能夠向上下分別運(yùn)動(dòng)，所以其內(nèi)部的湍動(dòng)能分布基本滿足完全利用噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求，由于沒有正三角形那樣明顯的引導(dǎo)作用，出口湍動(dòng)能是低于正三角形截面的情形的[10]。

圖10 不同截面時(shí)物料入口對(duì)稱截面的湍動(dòng)能云圖

為了更準(zhǔn)確地觀察噴射器物料入口處的湍動(dòng)能分布情況，圖10給出了4種情況下物料入口對(duì)稱截面的湍動(dòng)能云圖?？梢悦黠@地看出正三角形截面的湍動(dòng)能情況具有最大數(shù)值，這是由于正三角形靠近噴射孔的截面對(duì)蒸汽的引導(dǎo)作用造成的。倒三角形截面和菱形截面在物料入口處的湍動(dòng)能接近，正方形截面在入口處的湍動(dòng)能數(shù)值最小。但是4種截面在混合區(qū)域的湍動(dòng)能基本不存在大的“死區(qū)”現(xiàn)象，由于是入口截面，所以其分布情況主要說明了蒸汽和物料對(duì)入口區(qū)域的利用率。因此綜上來看，4種情況下噴射器內(nèi)部湍動(dòng)能的情況優(yōu)劣程度依次是：菱形截面>正三角形截面>正方形截面>倒三角形截面。

以上分析了4種情況下噴射器內(nèi)部湍動(dòng)能的情況，由于噴射器主要是加熱設(shè)備，其出口溫度分布是參考的關(guān)鍵。接下來對(duì)噴射器出口處溫度的分布情況進(jìn)行分析[11-12]。圖11是噴射器出口溫度分布云圖，可以看出，正三角形截面和倒三角形截面的溫度分布基本接近且均呈現(xiàn)一定程度的層級(jí)分布，靠近噴射孔的一側(cè)溫度高于邊緣區(qū)域，層級(jí)分布的邊界線均以三角形居于混合區(qū)域的頂點(diǎn)形成；與三角形截面類似，菱形截面的溫度分布也呈現(xiàn)了層級(jí)分布的現(xiàn)象，其分界線同樣是菱形居于混合區(qū)域中部的頂點(diǎn)。分析認(rèn)為原因是三角形截面和菱形截面的形狀在混合區(qū)域內(nèi)螺旋存在時(shí)，其靠近噴射孔一側(cè)有向下“擰”的趨勢(shì)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)物料和蒸汽造成下壓的趨勢(shì)。因此，這個(gè)范圍內(nèi)的物料對(duì)吸收更多蒸汽的潛熱造成了出口溫度的層級(jí)分布，且此區(qū)域溫度高于外側(cè)溫度。相比較而言，正方形截面的出口溫度分布情況則有明顯的改善，其出口溫度高于其余3種情況，且沒有明顯的層級(jí)分布。

圖11 不同截面出口溫度云圖

圖12 不同截面時(shí)噴射器在對(duì)稱截面的壓力云圖

為了解不同截面螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)在工作過程中噴射器內(nèi)部壓力分布情況，圖12給出了4種結(jié)構(gòu)的對(duì)稱截面和出口的壓力分布云圖。可以看出，菱形截面的螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)壓強(qiáng)最大，整個(gè)混合區(qū)內(nèi)部只在出口處局部形成了負(fù)壓，這種情況是不利于物料流動(dòng)的。比較正三角形截面和倒三角形截面可知，二者的壓力分布基本接近，在混合區(qū)域內(nèi)部，壓力呈現(xiàn)不同的層級(jí)分布，且接近出口端時(shí)其負(fù)壓面積較大，這2種情況下對(duì)物料的流動(dòng)是有好處的。而正方形截面所呈現(xiàn)的壓力分布則是4種情況中最好的，其壓力呈現(xiàn)上下兩級(jí)分布，在噴射器內(nèi)部基本都是負(fù)壓區(qū)域，濃漿物料的流動(dòng)優(yōu)勢(shì)最為明顯。綜合來看，4種情況的壓力分布優(yōu)劣情況依次是：正方形截面>正三角形截面≈倒三角形截面>菱形截面。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)用于加熱高黏稠物料的在線式蒸汽噴射裝置，使用Fluent數(shù)值模擬的方法對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了深入研究[13]，模擬結(jié)果直觀地顯示了噴射腔內(nèi)物料與蒸汽的混合過程，得到了壓力、速度、湍動(dòng)能和溫度場(chǎng)分布圖。通過對(duì)噴射器內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的分析比較，得到了以下結(jié)論：

通過比較3種不同截面尺寸的螺旋導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋截面尺寸寬度占據(jù)混合區(qū)域?qū)挾燃s40%時(shí)，能夠?qū)φ羝髌鸬阶詈玫姆稚⒆饔?，速度情況和出口處的溫度分布情況較為理想。通過改變螺旋導(dǎo)柱截面形狀，得到了4種截面壓力和溫度的最優(yōu)解均是正方形截面，湍動(dòng)能分布的最優(yōu)解是菱形截面；而正三角形截面和倒三角形截面在溫度、壓力和湍動(dòng)能等參數(shù)中都沒有表現(xiàn)出最優(yōu)。

鑒于本文在進(jìn)行分析時(shí)事先做了一部分簡(jiǎn)化和假設(shè)，本研究的數(shù)值模擬結(jié)果能對(duì)設(shè)計(jì)工作起到一定框架性的指導(dǎo)作用。如果要發(fā)揮理論結(jié)果更大的應(yīng)用價(jià)值，還需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)，探究結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)生產(chǎn)效率和能耗情況的影響。總結(jié)而言，本文的工作對(duì)噴射器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了深入的參考。

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Research and Optimization of Steam Injector Structure Based on Fluent

WANG Li-hui1,XU Yu-mou1,FENG Jing2

(1.CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co.Ltd.,Yangzhou 225000,China;2.The 723 Instiute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper designs a steam injection device to heat up the high viscosity material,studies the distribution status of velocity field,temperature field and pressure field of steam injection devices with different structures based on numerical simulation method calculating hydrodynamics software Fluent.The results show that the dispersion effect to steam flow is the best,the velocity field and outlet temperature distribution are relatively ideal when the width of spiral guide column section almost occupies 40% of the mixed zone width.The pressure and temperature distribution has the optimal solution when the section shape of spiral guide column is square,the turbulent kinetic energy distribution has the optimal solution when the section shape of spiral guide column is diamond.The results could provide necessary theoretical basis for improving the steam injector structure and raising the injector work efficiency.

steam injector；spiral guide column；numerical simulation

2016-06-30

TQ022

A

CN32-1413(2016)05-0106-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.027